Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

Fatigue life analysis under thermal-mechanical loading

Mateusz Szymański

Abstract

The thesis concerns the issue of fatigue life evaluation of structural components with geometrical notches under thermal-mechanical fatigue (both at the stage of initiation and propagation of fatigue cracks) on the basic of simplified elastic-plastic analyses performed using Neuber’s rule. The assessment of possibility of fatigue life evaluation was realized basing on comparisons of fatigue lives obtained from simplified nonlinear analyses with fatigue lives obtained from numerical nonlinear analyses. In the study, fatigue life analyses of typical structural components with geometrical notches (rectangular bar with opposite edge notches and round bar with groove) loaded by two different cases of thermal-mechanical loading )loading by heating – unloading by cooling and loading by cooling – unloading by heating) were performed. Applying the concept of lower bound life, widely used methods and relationships were used to assess fatigue life. At the stage of fatigue crack initiation the Manson-McKinght theory, effective strain range and smith-Watson-Topper method of mean stress effect consideration in the form of equivalent strain range were applied. At the fatigue crack propagation stage the linear elastic fracture mechanics relations in form of Paris law and Walker model were used. On the basic of results obtained from performed fatigue life studies it was stated that there is a possibility to obtain relatively good agreement of fatigue life to crack initiation for simplified nonlinear analyses compared to fatigue life calculated basing on numerical nonlinear analyses, especially for specimens with uniaxial stress state at notch tip. A worse accuracy of fatigue life was observed when using simplified nonlinear analyses in relation to issues of fatigue crack propagation. It is related to application of Neuber’s rule to particular component of principal stresses for general non-uniaxial stress states. The observed differences between the fatigue lives at the stage of crack propagation obtained for simplified nonlinear analyses and numerical nonlinear analyses allowed to formulate the conclusion that in order to obtain better accuracy of fatigue lives at crack growth stage calculated for simplified nonlinear analyses (which are based on numerical linear elastic analyses) with fatigue lives at the crack propagation stage obtained for numerical elastic-plastic nonlinear analyses, it is necessary to determine elastic-plastic components of stress states.
Record ID
WUTcf58a57ad920439e9c17cf96fb2558a3
Diploma type
Master of Science
Author
Mateusz Szymański (FACME) Mateusz Szymański,, Faculty of Automotive and Construction Machinery Engineering (FACME)
Title in Polish
Analiza trwałości zmęczeniowej przy obciążeniu cieplno-mechanicznym
Supervisor
Hieronim Jakubczak (FACME/ICME) Hieronim Jakubczak,, The Institute of Construction Machinery Engineering (FACME/ICME)Faculty of Automotive and Construction Machinery Engineering (FACME)
Certifying unit
Faculty of Automotive and Construction Machinery Engineering (FACME)
Affiliation unit
The Institute of Construction Machinery Engineering (FACME/ICME)
Study subject / specialization
, Mechanika i Budowa Maszyn
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
05-07-2012
Issue date (year)
2012
Pages
107
Reviewers
Wojciech Sobczykiewicz (FACME/ICME) Wojciech Sobczykiewicz,, The Institute of Construction Machinery Engineering (FACME/ICME)Faculty of Automotive and Construction Machinery Engineering (FACME)
Keywords in Polish
1. Trwałość zmęczeniowa, 2. Zmęczenie cieplno-mechaniczne, 3. Pękanie zmęczeniowe, 4. Metoda Neubera
Abstract in Polish
Niniejsza praca porusza zagadnienia możliwości oceny trwałości elementów konstrukcyjnych z karbami geometrycznymi w warunkach zmęczenia cieplno-mechanicznego (zarówno na etapie inicjacji, jak i propagacji pęknięć zmęczeniowych) na podstawie sprężysto-plastycznych analiz uproszczonych przeprowadzanych z zastosowaniem metody Neubera. Dokonanie oceny niniejszej możliwości realizowane było na podstawie porównania trwałości zmęczeniowej uzyskanej dla uproszczonych analiz nieliniowych względem trwałości otrzymanej dla numerycznych analiz nieliniowych. W ramach badań przeprowadzonych zostały analizy trwałości zmęczeniowej wybranych elementów konstrukcyjnych z karbami geometrycznymi (próba płaska z karbem obustronnym oraz próbka okrągła z karbem obrączkowym) poddanych dwóm różnym przypadkom obciążenia cieplno-mechanicznego (nagrzewanie przy obciążaniu – chłodzenie przy odciążaniu oraz chłodzenie przy obciążaniu – nagrzewanie przy odciążaniu). Stosując koncepcję dolnego oszacowania trwałości posłużono się powszechnie używanymi metodami i zależnościami umożliwiającymi ocenę trwałości zmęczeniowej. Na etapie inicjacji pęknięć wykorzystano teorię Mansona-McKinghta, koncepcję efektywnego zakresu odkształceń oraz metodę Smitha-Watsona-Toppera uwzględniania wpływu naprężeń średnich w postaci ekwiwalentnego zakresu odkształceń. W przypadku obliczeń w zakresie propagacji pęknięć zmęczeniowych wykorzystane zostały metody liniowosprężystej mechaniki pękania w postaci zależności Parisa i Walkera. Na podstawie wyników przeprowadzonych badań trwałości zmęczeniowej stwierdzono możliwość uzyskania stosunkowo dobrej zgodności trwałości do inicjacji pęknięć uzyskanych na podstawie uproszczonych analiz nieliniowych z wartościami trwałości odpowiadającymi analizom nieliniowym przeprowadzonym przy użyciu metod numerycznych, zwłaszcza w przypadku próbek płaskich w dnach karbu których panuje jednoosiowy stan naprężeń. Dużo gorszą zgodność trwałości zaobserwowano natomiast w przypadku wykonywania uproszczonych analiz nieliniowych w stosunku do zagadnień związanych z propagacją pęknięć zmęczeniowych. Wynika to z dokonywanej aplikacji metody Neubera do poszczególnych składowych głównych stanu naprężenia w obliczu ogólnie niejednoosiowych stanów naprężeń. Zaobserwowane rozbieżności pomiędzy wartościami trwałości zmęczeniowej w zakresie propagacji pęknięć otrzymanymi dla uproszczonych analiz nieliniowych oraz numerycznych analiz nieliniowych pozwoliły na wysunięcie wniosku, że w celu otrzymania lepszej zgodności trwałości uzyskiwanych dla analiz nieliniowych wykonanych za pomocą metod uproszczonych (opierających się na numerycznych analizach liniowych) niezbędne jest określenie sprężysto-plastycznych składowych stanu naprężenia.

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/master/WUTcf58a57ad920439e9c17cf96fb2558a3/
URN
urn:pw-repo:WUTcf58a57ad920439e9c17cf96fb2558a3

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page